[發明專利]一種聯合信道信息獲取和波束賦形方法

有效

• 申請號: 202010626730.8
• 申請日: 2020-07-02
• 公開（公告）號: CN111786706B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 高霞;趙柏睿;張忠培
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H04B7/0456
• 分類號: H04B7/0456;H04B7/06;H04B7/08
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 孫一峰

1.一種聯合信道信息獲取和波束賦形方法，該方法用于下行鏈路通信系統，系統中基站端配置N_t個發射天線，用戶端配置N_r個接收天線，基站端和用戶端的RF鏈數量分別配置為和且滿足其特征在于，包括以下步驟：

S1、建立接收信號模型：

設基站的基帶產生的一個發送導頻信號為通過基帶數字預編碼器以及模擬波束成形器處理后發送，用戶端接收到信號后通過模擬波束組合器以及數字組合器處理，則第k個幀內在用戶端經過模擬組合器與數字組合器處理后得到信號為：

其中，P表示系統的平均發送功率，H為信道矩陣，表示加性高斯噪聲矢量，均值為0，方差為I是單位矩陣；

令將上式簡化為：

令K_t和K_r分別表示發送和接收波束的配置使用數量，則對第K＝K_tK_r個接收信號矢量，得到：

其中，接收信號矩陣發送端配置矩陣接收端配置矩陣噪聲矩陣取向量化運算得到：

其中，vec(H)是矩陣矢量化；且n＝vec(N)；

令表示傳感矩陣，則可得接收信號模型：

S2、獲取信道信息：

假設毫米波信道是窄帶的幾何模型信道，信道中的路徑數為N_p，則相應的發送以及接收陣列響應矩陣為：

其中θ_t,l，θ_r,l分別表示第l個簇對應的偏離角和到達角，a_t(θ_t,l)和a_r(θ_r,l)分別表示第個l個簇對應的發送端以及接收端的陣列響應矢量；

毫米波波長表示為λ，令天線間間距為半波長，即d＝λ/2，則相鄰天線之間的波束傳輸路徑差值為dcos(θ_t,l)，相鄰天線間的電磁波相位差為2πdcos(θ_t,l)/λ，天線陣列響應矢量為：

其中j是虛數單位；

信道矩陣改寫為：

其中，是一個對角矩陣，其對角元分別表示不同路徑的路徑增益；

定義一個網格的量化角度參數集如下：

ψ＝{φ_n∈[0,π]:n＝1,...,G}

其中，G表示網格中角度參數的數量，φ表示波束路徑與Z軸之間的夾角，滿足φ∈[0,2π)，φ₁＝0和φ_G＝0，{cos(φ_n)}在[1,-1)區間范圍內是非均勻分布的，取值定義為：

將所有的角度參數集合，令G_T和G_R分別表示發送和接收兩端的量化角度參數集的大小，分別得到發送與接收的角度字典矩陣如下：

將發送角度字典矩陣與其共軛轉置做乘法運算，得到對角矩陣

同理得到對角矩陣

其中分別表示N_t階和N_r階單位矩陣；

基于發送和接收角度字典矩陣，得到在量化角度空間上定義的信道矩陣：

其中，是包含N_p個非零元素的稀疏矩陣，其非零元素分別表示與N_p個路徑的偏離角以及到達角有關的增益；對信道矩陣進行向量化處理，得到：

其中表示矩陣的共軛運算；表示矩陣的Kronecker積運算；

代入步驟S1得到的接收信號模型：

取稀疏字典矩陣為等效傳感矩陣為Θ＝ΦΨ，則接收信號矢量改寫為：

由于N_pN_t≤G_T且N_pN_r≤G_R，將的估計問題看作是基于冗余字典的稀疏信號恢復問題，令表示待估計的信道增益信息，建立估計問題為：

其中表示矩陣的2范數；表示復數輻角運算；表示約束條件；

采用ROMP算法求解待估計增益矩陣恢復出信道矩陣為：

為恢復出的信道矩陣；

S3、碼本設計：

假設G_T＝G_R＝G，總相干性μ(Θ)定義為矩陣Θ的不同列的內積平方和，等效表示為矩陣Θ^HΘ的非對角元素和，則等效傳感矩陣的總相干性表達式如下：

通過最小化發送端和接收端各自的總相干性，得到碼本如下：

模擬波束賦形的可選碼本：

其中表示單位矩陣；表示零矩陣；表示矩陣的共軛轉置運算；i,j是變量；

數字波束賦形的碼本：

e_i表示一組標準基中第i個元素為1的矢量，U和V表示任意的階的酉矩陣，當給定F_BB,i時，對應的導頻矢量表示為s_i＝Ve_i；

模擬組合器的碼本：

數字組合器的碼本：